CN109595591A - 一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，所述隔热屏，一方面，其具有多排气膜孔，使冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁表面形成气膜，减小热负荷，在一定程度上防止燃气对加力燃烧室壁面的热冲蚀；另一方面，其具有水冷幕墙结构，在内部通过对流换热带走传入的热量，有效降低壁温；同时其内壁具有凹凸不平的结构，通过改变加力燃烧室壁面结构，改善声波在燃烧室内的传播，进而使声压振动与热释放速率波动的相位差不会始终保持不变，从而防止了振荡燃烧的发生。

Description

一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及燃气轮机加力燃烧室的壁面。

背景技术

航空发动机是现代工业成果的结晶，加力燃烧室更是其中的重要部件，其主要功用是利用燃烧室排气中的剩余氧气量，重新喷入燃油进行燃烧，进一步提高涡轮前进口温度，从而获得额外推力，提高飞行机动性，增强作战性能。现代军用航空发动机加力燃烧室一般都要求高温升，加力燃烧室作为高温部件，其核心流温度通常可达到2000K以上，故此为了保护部件不在高温下变形甚至烧蚀，需要在加力燃烧室外壁采用有效的冷却措施，保证具有足够的可靠性和使用寿命；同时加力燃烧室在燃料燃烧的过程中，也会产生一些问题，如振荡燃烧现象。振荡燃烧出现时会伴随放热量和压力的大幅振荡，产生巨大噪声，导致燃烧装置剧烈振动，影响燃烧装置的正常工作，严重时甚至会造成系统部件的损伤破坏。一般来讲，当扰动达到化学反应释放能量的时，所产生的压力脉动的振幅就相当于燃烧室平均压力峰值振幅，这种大幅度的压力脉动很容易导致结构的严重破坏，导致燃烧室燃烧稳定性下降，严重时将直接导致熄火，对燃烧室具有灾难性的影响。

目前，国际上通常采用隔热屏装置将高温燃气与加力燃烧室筒体隔开，在隔离高温燃气与筒体的同时起到一定抑制振荡燃烧的作用，此外，采用高效的冷却技术(如离散冷却、层板冷却、全气膜冷却等)对隔热屏进行冷却。根据波纹轴线与流向夹角的不同，可分为横向波纹隔热屏和纵向波纹隔热屏两类，国内外关于纵向波纹隔热屏的研究已相当成熟，而关于横向波纹隔热屏的文献却甚为少见，仅局限于其流场计算有研究人员指出，随着航空发动机增推装置的新进展，未来高推重比发动机加力室热负荷将进一步增大，对发动机的耐久性也提出了进一步的要求。

燃烧强度较高的先进高性能燃气涡轮发动机对加力隔热屏的设计提出了更高要求，由于加力燃烧室的冷却空气是从发动机压气机抽取的，而这种引气会降低发动机的热效率和推力，因此在设计高性能加力燃烧室时，要实现以尽可能少的冷却空气量实现尽可能高的冷却效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，该隔热屏，一方面使冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁表面形成气膜，减小热负荷；另一方面，其具有水冷幕墙结构，在内部通过对流换热带走传入的热量，有效降低壁温；同时其改变了加力燃烧室壁面的结构，改变了声波在燃烧室内的传播，进而使声压振动与热释放速率波动的相位差不会始终保持不变，从而防止了振荡燃烧的发生；本发明中设置的气膜孔，不仅可以吸收压力脉动的振荡能量，还可以在一定程度上防止燃气对加力燃烧室壁面的热冲蚀，有利于提高发动机寿命。

技术方案

本发明所要解决的技术问题是提出一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，它能够有效降低加力燃烧室壁面温度，减小燃气对壁面的热负荷，防止壁面被热烧蚀；同时改变加力燃烧室壁面结构，防止振荡燃烧的发生。

本发明技术方案如下：

为解决其技术问题，本发明一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，所述隔热屏包括内壁和外壁。

所述隔热屏内壁，其特征在于：内壁形状为凹凸不平的波纹板结构，截面呈类正弦或余弦形，由多个横截面为半圆结构的弧面拼接而成，所述半圆半径变化在10-30mm之间，主燃烧室内壁中间位置与外壁间的距离10-50mm，波纹板波峰与波谷之间气膜孔成排设置，具有6-12排，板上开有气膜孔，气膜孔孔径范围0.5-4mm，每排气膜孔的间距在四倍气膜孔直径到十倍气膜孔直径之间，用以在壁面形成气膜冷却；内部为中空结构，设置水冷幕墙，内壁两端开有水流的进出口，大约在10-30个，并与气膜孔在周向上错开一定角度，所述内壁固定在所述外壁上，两壁之间形成连通的腔体，供气流流通。

所述隔热屏外壁，其特征在于：圆筒状结构，主要为了固定隔热屏内壁并与加力燃烧室筒体相连接，两壁之间形成连通的腔体。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，该隔热屏内壁上具有多排气膜孔，可以使得冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁表面形成气膜，减小热负荷；另一方面，该隔热屏内壁具有水冷幕墙结构，在内部通过对流换热带走传入的热量，有效降低壁温；同时隔热屏内壁为波纹板结构，改变了加力燃烧室壁面的结构，在一定程度上可以防止加力燃烧室内振荡燃烧的发生；本发明中设置的气膜孔，不仅可以吸收压力脉动的振荡能量，还可以在一定程度上防止燃气对加力燃烧室壁面的热冲蚀，有利于提高发动机寿命。

附图说明

图1：本发明的加力燃烧室隔热屏结构示意图

图2：本发明的加力燃烧室隔热屏入口截面示意图

图3：本发明的加力燃烧室隔热屏内壁展开图

图4：图3中K处的放大示意图

图中：1、隔热屏外壁，2、隔热屏内壁，3、水流入口，4、气膜孔，5、隔热屏内壁外侧，6、隔热屏内壁内侧。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1、图2、图3、图4，本发明提供：本发明提出一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，能够有效降低加力燃烧室壁面热负荷，防止加力燃烧室振荡燃烧。图1为本发明的加力燃烧室隔热屏结构示意图，图2为入口截面示意图，包括隔热屏外壁(1)、隔热屏内壁(2)、水流入口(3)；图3为隔热屏内壁展开图，可清晰的看出其内壁上气膜孔的分布情况；图4为图3中K处的放大示意图，展示了内壁的内部结构，包括隔热屏内壁外侧(5)、隔热屏内壁内侧(6)。

隔热屏具有内外壁结构，其内壁(2)形状为凹凸不平的波纹板结构，呈类正弦或余弦形，由多个横截面为半圆结构的弧面拼接而成，波纹板的结构改变了声波在加力燃烧室内的传播，进而使声压振动与热释放速率波动的相位差不会始终保持不变，从而防止了振荡燃烧的发生；内壁(2)上开有数排气膜孔(4,)，每排气膜孔的间距在四倍气膜孔直径到十倍气膜孔直径之间，以在燃气侧壁面表面形成气膜，不仅可以吸收压力脉动的振荡能量，减小壁面所承受的热负荷，还可以在一定程度上防止燃气对加力燃烧室壁面的热冲蚀，有利于提高发动机寿命；隔热屏外壁(1)的主要起到固定隔热屏的作用，与燃烧室壁面相连，隔热屏内壁(2)与外壁(1)，两壁之间形成连通的腔体，供气流流通；隔热屏内壁(2)的内部为中空结构，设置水冷幕墙，内壁两端开有水流的进出口(3)，并与气膜孔(4)在周向上错开一定角度，水流从一侧流入另一侧流出，由于水的热容较大，且具有对流换热的过程可带走热量，就是此设计中水冷幕墙结构，能够在内部有效的带走传入的热量，有效降低壁温。

Claims (4)

1.一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，包括内壁和外壁，其特性在于：内壁形状为凹凸不平的波纹板结构，呈类正弦或余弦形，由多个横截面为半圆结构的弧面拼接而成，所述半圆半径变化在10-30mm之间，主燃烧室内壁中间位置与外壁间的距离10-50mm。

2.根据权利要求1所述的一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，其特征在于：波纹板波峰与波谷之间气膜孔成排设置，具有6-12排，板上开有气膜孔，气膜孔孔径范围0.5-4mm，每排气膜孔的间距在四倍气膜孔直径到十倍气膜孔直径之间，以在壁面形成气膜冷却。

3.根据权利要求1所述的一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，其特征在于：隔热屏内部为中空结构，设置水冷幕墙，内壁两端开有水流的进出口，沿圆周分布，大约在10-30个，并与气膜孔在周向上错开一定角度。

4.根据权利要求1所述的一种带水冷幕墙的波纹板隔热屏，其特征在于：隔热屏外壁圆筒状结构，主要为了固定隔热屏内壁并与加力燃烧室筒体相连接，两壁之间形成连通的腔体。